Bajo un microscopio, puede ser difícil decir la diferencia entre dos neuronas, las células cerebrales que almacenan y procesan información.
El ADN metiloma revela la identidad neuronal. Crédito: Salk Institute/Jamie Simon
Así que los científicos se han convertido en métodos moleculares para tratar de identificar grupos de neuronas con diferentes funciones.
Ahora, el Instituto Salk y los científicos de la Universidad de California en San Diego, por primera vez, han perfilado modificaciones químicas de moléculas de ADN en neuronas individuales, dando información más detallada sobre lo que hace que una célula cerebral sea diferente de su prójimo.
Este es un paso crítico en el comienzo para identificar cuántos tipos de neuronas existen, lo que ha eludido a los neurocientíficos pero podría conducir a una comprensión dramáticamente mejor sobre el desarrollo y la disfunción cerebral.
El methylome de cada célula — el patrón de marcadores químicos compuestos por grupos metilo que separan su ADN — dio una lectura distinta que ayudó al equipo Salk a clasificar las neuronas en subtipos.
El trabajo aparece en la revista Science del 10 de agosto del 2017.
"Creemos que es bastante sorprendente que podamos burlar un cerebro en células individuales," secuenciar su metilomas, e identificar muchos tipos nuevos de células junto con sus elementos reguladores de genes, los interruptores genéticos que hacen estas neuronas distintas entre sí ", dice el autor Co-Senior Joseph Ecker, profesor y director del laboratorio de análisis genómico de Salk y un investigador del Instituto Médico Howard Hughes.
En el pasado, para identificar lo que diferencia a diferentes tipos de neuronas entre sí, los investigadores han estudiado los niveles de moléculas de ARN dentro de las células cerebrales individuales.
Pero los niveles de ARN pueden cambiar rápidamente cuando una célula está expuesta a nuevas condiciones, o incluso durante todo el día.
Así que el equipo de Salk regresó a las células ‘metilomas’, que son generalmente estables a lo largo de la adultez.
"Nuestra investigación muestra que podemos definir claramente los tipos neuronales basados en su metilomas", dice Margarita Behrens, una científica senior de Salk y co-autora del nuevo documento.
"Esto abre la posibilidad de entender lo que hace que dos neuronas — que se sientan en la misma región cerebral y de otra manera parezcan similares — se comporten de manera diferente."
El equipo comenzó su trabajo tanto en ratones y el cerebro humano centrándose en la corteza frontal, el área del cerebro responsable de pensamiento complejo, personalidad, comportamientos sociales y toma de decisiones, entre otras cosas.
Aislaron 3.377 neuronas de la corteza frontal de ratones y 2.784 neuronas de la corteza frontal de un humano fallecido de 25 años.
Los investigadores entonces utilizaron un nuevo método que desarrollaron recientemente llamado snmC-SEQ para secuenciar el metiloma de cada célula.
A diferencia de otras células del cuerpo, las neuronas tienen dos tipos de metilación, por lo que el abordaje trazó ambos tipos — denominada metilación CG (para la secuencia de ADN que contiene los nucleótidos citosina y guanina) y la metilación no CG.
Las neuronas de la corteza frontal del ratón, encontraron, estaban agrupadas en 16 subtipos basados en patrones de la metilación, mientras que las neuronas de la corteza frontal humana eran más diversas y formaron 21 subtipos.
Las neuronas inhibidoras — aquellas que proporcionan señales de STOP para mensajes en el cerebro — mostraron patrones de metilación más conservados entre ratones y humanos en comparación con las neuronas excitantes.
El estudio también identificó los subtipos humanos únicos de neurona que nunca habían sido definidos antes.
Estos resultados abren la puerta a una comprensión más profunda de lo que diferencia a los cerebros humanos de los de otros animales.
"Este estudio abre una nueva ventana a la increíble diversidad de células cerebrales", dice Eran Mukamel del Departamento de ciencias cognitivas de la UC San Diego, un coautor de la obra.
A continuación, los investigadores planean expandir su estudio de metilomas para ver más partes del cerebro y más cerebros.
"Hay cientos, si no miles," de tipos de células cerebrales que tienen diferentes funciones y comportamientos y es importante saber lo que todos estos tipos son para entender cómo funciona el cerebro ", dice Chongyuan Luo, un asociado de investigación en Salk y coautor del nuevo documento, junto con el estudiante de posgrado de UC San Diego, Christopher Keown.
"Nuestro objetivo es crear una lista de piezas de ratones y cerebro humano."
Una vez que la "lista de partes" está completa, Ecker dice que también les gustaría comenzar a estudiar si los metilomas de las neuronas en las personas con enfermedades cerebrales son diferentes a los de la gente sana.
"Si hay un defecto en sólo el uno por ciento de las células, deberíamos ser capaces de verlo con este método", dice.
"Hasta ahora, no hubiéramos tenido ninguna posibilidad de recoger algo en ese pequeño porcentaje de células."